Development of the thin shell casting technology for downwards directional solidification

Lu, Hao; Bührig-Polaczek, Andreas

doi:4578

Development of the thin shell casting technology for downwards directional solidification = Entwicklung des Auftauch-Verfahrens zur abwärts gerichteten Erstarrung

Lu, Hao (Author)

2013

VerantwortlichkeitsangabeHao Lu

ImpressumAachen : Gießerei-Institut der RWTH Aachen 2013

Umfang142 S. : Ill., graph. Darst.

ISBN978-3-944601-00-7

ReiheErgebnisse aus Forschung und Entwicklung / Gießerei-Institut der RWTH Aachen ; 11

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Bührig-Polaczek, Andreas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-04-29

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-45785
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/211915/files/4578.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Gerichtete Erstarrung (Genormte SW) ; Einkristall (Genormte SW) ; Superlegierung (Genormte SW) ; Turbinenschaufel (Genormte SW) ; Gießereitechnik (Genormte SW) ; Industrielle Fertigung (frei) ; dünnwandige Formschale (frei) ; Vermeidung der Frecklesbildung (frei) ; thin ceramic shell (frei) ; downwards directional solidification (frei) ; superalloy (frei) ; turbine blade (frei) ; casting (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 670
rvk: ZM 8127 * ZM 8132

Kurzfassung
Die gerichtete/einkristalline Erstarrung (DS/SC) der Turbinenschaufeln aus Superlegierungen ist eine Schlüsseltechnologie auf einem hohen wissenschaftlichen und technischen Stand. Zurzeit werden kommerzielle DS/SC Turbinenschaufeln mit dem aufwändigen Bridgman-Verfahren produziert, das durch eine relativ uneffektive Wärmeabfuhr sowie einen niedrigen Temperaturgradient gekennzeichnet ist. In dieser Arbeit wird ein Auftauch-Verfahren zur abwärts gerichteten Erstarrung entwickelt. Das Prinzip ist eine Kombination der Czochralski-, dynamischen Baffle- und GCC-Verfahren. Es ist durch eine sehr dünne Formschalenwandstärke (~1 mm), eine vollständige Trennung der Heiz- und Kühlzone sowie eine Gaskühlung gekennzeichnet. Durch das Heraufziehen der Formschale aus dem Schmelzbad durch das dynamische Baffle wird die gerichtete Erstarrung von oben nach unten realisiert. Mit dem Einsatz von Gaskühlung ermöglicht dies eine deutlich erhöhte Wärmeabfuhr. Der spezifische Nachteil des Bridgman-Verfahrens, der niedrige Temperaturgradient und die daraus folgenden Probleme bei der Gussqualität, wird durch das neue Verfahren grundsätzlich überwunden. In der ersten Arbeitsphase wurde die Durchführbarkeit dieses Verfahrens mit einer Cu-Legierung erfolgreich erprobt. Mit dem Einsatz von vereinfachten Formschalen wurden DS/SC Komponenten hergestellt. Die zweite Arbeitsphase beschäftigte sich mit der gerichteten Erstarrung von Al-Legierungen, um den Erstarrungscharakter des Auftauchprozesses grundlegend zu untersuchen und das erzeugte Gussgefüge systematisch zu analysieren. Danach wurden DS/SC Turbinenschaufeln aus Al-Legierungen auch gegossen. Im dritten Teil wurde die gerichtete Erstarrung der Ni-Basis-Superlegierung CMSX-6 mit zylindrischer Stabgeometrie unter Schutzgas durchgeführt. Anhand der metallographischen Untersuchung wurde ein Temperaturgradient von ca. 24 K/mm ausgewertet. Dies ist eine Erhöhung des Temperaturgradienten um eine Größenordnung gegenüber dem herkömmlichen Bridgman-Prozess. Als Konsequenz wird der Primärdendritenabstand lambda1 um den Faktor drei reduziert. Die Reduktion der Größe und des Volumenanteils der gamma/gamma’-Eutektikum ist noch ausgeprägter. Aufgrund der starken Verkürzung des interdendritischen Nachspeisungswegs ist die Mikroporosität fast vollständig beseitigt. Die Folge ist eine erhebliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von DS/SC Komponenten.

The directional/single-crystal solidification (DS/SC) of turbine blades made of superalloys is a key technology on a high scientific and technical level. Industrial DS/SC turbine blades are traditionally produced by using the expensive Bridgman process, which is characterized by a relatively inefficient heat dissipation and a low thermal gradient. In this thesis a Thin Shell Casting (TSC) process for downwards directional solidification is developed. This novel technique is a combination of the Czochralski, dynamical baffle and GCC technologies, which is characterized by a thin shell mould (~1 mm), a complete isolation between the heating and cooling zone as well as a gas cooling. By pulling up the shell mould through the floating baffle from the melt bath, a directional solidification is performed downwards. Application of gas cooling enables a significantly increased heat extraction. Thus the specific disadvantage of the Bridgman process, i.e. the low temperature gradient and the consequent casting defects could be generally overcome by this new technique. Using a Cu alloy in the first work phase, the feasibility of this novel process was successfully confirmed. With simplified shell moulds, DS/SC components were cast. The second work phase dealt with the directional solidification of Al alloys, in order to fundamentally investigate the solidification condition and to systematically analyze the resultant microstructure in the TSC process. Thereafter DS/SC turbine blades of Al alloys were also successfully cast. In the third part, some DS rods of the Ni-base superalloy CMSX-6 were cast under inert gas. According to the metallographic examination, an extremely high temperature gradient G of about 24 K/mm was evaluated, which is a considerable increase by an order of magnitude over that of the conventional Bridgman process. As a consequence, the primary dendrite arm spacing lambda1 is reduced by a factor of three. The reduction of the size and volume fraction of gamma/gamma'-eutectic is even more pronounced. Due to the strongly shortened interdendritic feeding path, the interdendritic porosity is almost completely eliminated. The result is a significant improvement in the mechanical properties of DS/SC components.

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